DE60131565T2 - PLASMA REDUCTION PROCESSING OF MATERIALS - Google Patents
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B4/00—Electrothermal treatment of ores or metallurgical products for obtaining metals or alloys
- C22B4/005—Electrothermal treatment of ores or metallurgical products for obtaining metals or alloys using plasma jets
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- C22B5/00—General methods of reducing to metals
- C22B5/02—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft die chemische Bearbeitung von Materialien in einer Plasmaumgebung und insbesondere betrifft sie pyrometallurgische Reduktionsprozesse in einer Plasmaumgebung.The The present invention relates to the chemical processing of materials in a plasma environment and in particular it relates to pyrometallurgical Reduction processes in a plasma environment.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIKGENERAL PRIOR ART
Die pyrometallurgische Reduktion von metallhaltigen Erzen und Konzentraten beinhaltet normalerweise das Erhitzen von dem Erz oder dem Konzentrat mit einem Reduktionsmittel in einem Schmelzofen auf eine Temperatur, bei der üblicherweise das Erz schmilzt und bei der eine chemische Reaktion von dem Erz/Konzentrat mit dem Reduktionsmittel das Erz/Konzentrat zu einem metallischen Produkt oder zu einem höherwertigen Endprodukt mit einem niedrigeren Oxidationszustand reduziert. Es werden große Mengen an Energie benötigt, um die Reduktionsprozesse in derartigen Schmelzöfen zu starten und aufrecht zu halten und die Rückgewinnungsrate von metallischen Produkten macht derartige Prozesse kommerziell oftmals nicht lebensfähig. Die nicht reduzierten Komponenten von dem Erz/Konzentrat bilden eine Schlacke, die häufig einen wertvollen Metallgehalt enthält. Die Rückgewinnung von dem Metallgehalt derartiger Schlacken ist jedoch wieder oftmals durch konventionelle Verfahren kommerziell undurchführbar.The Pyrometallurgical reduction of metal-containing ores and concentrates usually involves heating of the ore or concentrate with a reducing agent in a melting furnace to a temperature at the usual the ore melts and during a chemical reaction of the ore / concentrate with the reducing agent, the ore / concentrate to a metallic product or to a higher value Reduced final product with a lower oxidation state. It be great Needed amounts of energy, to start and sustain the reduction processes in such furnaces to keep and the recovery rate of metallic products makes such processes commercial often not viable. The unreduced components of the ore / concentrate form one Slag that often contains a valuable metal content. The recovery of the metal content However, such slags is often again by conventional Process commercially unfeasible.
Mikrowellenbestrahlung ist in verschiedenen industriellen Anwendungen als Einsatz an Energie zum Erhitzen von Metall verwendet worden, einschließlich der Mikrowellenerhitzung von chemischen Ausgangsstoffen zur kinetischen und thermodynamischen Stimulation derselben für die Aktivierung von chemischen Reaktionen. Die Behandlung von metallhaltigen Erzen und anderen vergleichbaren Materialien mit Mikrowellen ist als eine intensive Vorstufen-Bearbeitung angewendet worden, wobei Energie auf das Erz angewendet wird, um es thermodynamisch zu stimulieren und es für konventionelle Rückgewinnungstechniken wie beispielsweise die konventionelle pyrometallurgische Reduktion, das Auslaugen oder die hydrometallurgischen Rückgewinnungsprozesse vorzubereiten.microwave irradiation is used in various industrial applications as an energy use Heating of metal has been used, including microwave heating from chemical precursors to kinetic and thermodynamic Stimulation of the same for the activation of chemical reactions. The treatment of metal-containing Ores and other comparable materials with microwaves been used as an intensive pre-processing, using energy applied to the ore to thermodynamically stimulate it and it for conventional recovery techniques such as conventional pyrometallurgical reduction, to prepare the leaching or hydrometallurgical recovery processes.
Die
Veröffentlichung
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes pyrometallurgisches Reduktionsverfahren bereitzustellen.It The object of the present invention is an improved pyrometallurgical To provide reduction process.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION
In
einer umfassenden Form stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
für die
Reduktion von einem metallhaltigen Erz oder Konzentrat bereit, das folgende
Schritte umfasst:
Aufbereiten des Erzes oder des Konzentrates
in einer partikelförmigen
Form,
Beschicken von einer Reaktionskammer mit dem Erz oder
dem Konzentrat, einem Reduktionsmittel und einem Ein gangsgas,
Bestrahlen
der genannten Reaktionskammer mit elektromagnetischer Strahlung
innerhalb eines Frequenzbereichs von 30 MHz bis 300 GHz, bis ein Plasma
im Nichtgleichgewichtszustand angeregt wird, und
Halten und
Regulieren des genannten Plasmas im Nichtgleichgewichtszustand mit
der genannten Strahlung, bis das genannte Erz oder Konzentrat reduziert
ist, um ein Reduktionsprodukt zu erzeugen.In a broad aspect, the present invention provides a process for the reduction of a metal-bearing ore or concentrate comprising the steps of:
Preparing the ore or concentrate in a particulate form,
Charging a reaction chamber with the ore or concentrate, a reducing agent and an input gas,
Irradiating said reaction chamber with electromagnetic radiation within a frequency range of 30 MHz to 300 GHz until a plasma is excited in the non-equilibrium state, and
Maintaining and regulating said plasma in the nonequilibrium state with said radiation until said ore or concentrate is reduced to produce a reduction product.
Der Druck innerhalb der genannten Reaktionskammer wird während der Bestrahlung davon oberhalb von 40 kPa und unterhalb von 300 kPa gehalten.Of the Pressure within said reaction chamber is during the Irradiation thereof above 40 kPa and below 300 kPa held.
Das Reduktionsmittel enthält ein kohlenstoffhaltiges Material.The Contains reducing agent a carbonaceous material.
In einigen Ausführungsformen wird der Druck etwa auf Atmosphärendruck gehalten.In some embodiments the pressure is about at atmospheric pressure held.
Das Plasma kann in dem Eingangsgas angeregt werden.The Plasma can be excited in the input gas.
Wahlweise oder zusätzlich kann mindestens ein Anteil von dem Eingangsgas während der Bestrahlung zerfallen, wobei das Plasma wenigstens teilweise in dem Zerfallsprodukt von dem genannten Eingangsgas angeregt wird.Optional or additionally at least a portion of the input gas may decay during irradiation, wherein the plasma is at least partially present in the decomposition product of the said input gas is excited.
Das Reduktionsmittel kann ein mit dem Erz oder dem Konzentrat gemischtes partikuläres, kohlenstoffhaltiges Material enthalten.The Reducing agent may be one mixed with the ore or concentrate particulate, contain carbonaceous material.
Das Reduktionsmittel kann Kohlenmonoxidgas enthalten, wobei das Eingangsgas das Kohlenmonoxidgas enthält, wobei das Plasma wenigstens teilweise in dem Kohlenmonoxidgas angeregt wird.The Reducing agent may include carbon monoxide gas, with the input gas contains the carbon monoxide gas, wherein the plasma is at least partially excited in the carbon monoxide gas becomes.
Das Reduktionsmittel kann Kohlenmonoxidgas und ein partikuläres, kohlenstoffhaltiges Material enthalten.The Reducing agent can be carbon monoxide gas and a particulate, carbonaceous Material included.
Alternativ dazu kann das Reduktionsmittel ferner ein reaktives Metall enthalten.alternative For this purpose, the reducing agent may further contain a reactive metal.
Das Eingangsgas kann ein Inertgas enthalten.The Input gas may contain an inert gas.
Das Inertgas kann Argon oder Stickstoff umfassen.The Inert gas may include argon or nitrogen.
Das Eingangsgas kann Luft umfassen.The Input gas may include air.
Das Reduktionsmittel kann Methan enthalten.The Reducing agent may contain methane.
Vorzugsweise ist die Strahlung eine Mikrowellenstrahlung.Preferably the radiation is microwave radiation.
Das Erz oder das Konzentrat können ein Konzentrat sein, das unmittelbar von abgebautem Erz abgeleitet ist.The Ore or the concentrate can a concentrate derived directly from mined ore is.
Wahlweise können das Erz oder das Konzentrat ein Konzentrat sein, das nicht unmittelbar von abgebautem Erz abgeleitet ist. Said non-ore concentrate may be a residue derived, waste derived or mining derived concentrate, such as from mine tailings or concentrator residue.Optional can the ore or concentrate is a concentrate that is not immediate derived from mined ore. Said non-ore concentrate may be derived derived, waste derived or mining derived concentrate, Such as from mine tailings or concentrator.
Das Erz oder Konzentrat können als ein Konzentrat in der Form eines von metallurgischen Bearbeitungsprozessen abgeleiteten Rückstandes vorliegen, wie beispielsweise einer Schlacke, einer Aufschlämmung oder Schlamm, die aus metallurgischen Bearbeitungsprozessen abgeleitet sind. Derartige Rückstände können aus pyrometallurgischen, hydrometallurgischen, chemometallurgischen oder elektrometallurgischen Bearbeitungsabschnitten während der ersten, zweiten und/oder dritten Stufen der metallurgischen Bearbeitungsprozesse erhalten worden sein.The Ore or concentrate can as a concentrate in the form of one of metallurgical machining processes derived residue be present such as a slag, a slurry or Sludge derived from metallurgical machining processes are. Such residues can pyrometallurgical, hydrometallurgical, chemometallurgical or electrometallurgical processing sections during the first, second and / or third stages of the metallurgical machining processes have been obtained.
Die Reaktionskammer kann in der Form von einem Wirbelschichtreaktor vorliegen.The Reaction chamber may be in the form of a fluidized bed reactor available.
Die Reaktionskammer kann wahlweise in der Form von einem Ofen vorliegen, wobei das Erz oder das Konzentrat in einen Schmelztiegel geladen wird, der in dem Ofen platziert ist.The Reaction chamber may optionally be in the form of an oven, wherein the ore or concentrate is loaded into a crucible which is placed in the oven.
Die Reaktionskammer kann in der Form von einem Drehofenreaktor vorliegen.The Reaction chamber may be in the form of a rotary kiln reactor.
Die Reaktionskammer kann in der Form von einem Zyklonreaktor vorliegen.The Reaction chamber may be in the form of a cyclone reactor.
Die Reaktionskammer kann in der Form von einem Förderer-gespeisten Reaktor vorliegen.The Reaction chamber may be in the form of a conveyor fed reactor.
In einem derartigen Förderer-gespeisten Reaktor wird das Erz oder das Konzentrat vorzugsweise zu einer pelletisierten partikulären Form vorbereitet.In such a conveyor-fed Reactor, the ore or concentrate is preferably pelletized particulate Form prepared.
Vorzugsweise liegt das Reduktionsprodukt in metallischer Form vor.Preferably the reduction product is in metallic form.
Das metallische Reaktionsprodukt kann in der Form von Dampf vorliegen, wobei der genannte Dampf aus der Reaktionskammer abgezogen und von den Gasen abgeschieden wird, die während der genannten Reduktion erzeugt werden.The metallic reaction product may be in the form of vapor, wherein said vapor withdrawn from the reaction chamber and from the gases are separated during the said reduction be generated.
Wahlweise ist das Reduktionsprodukt eine Verbindung in einem reduzierten Oxidationszustand.Optional For example, the reduction product is a compound in a reduced oxidation state.
Das Reduktionsprodukt kann durch Reduktion des Erzes oder des Konzentrats durch eine Reihe von nachfolgenden Reduktionsreaktionen gebildet werden.The Reduction product may be by reduction of the ore or concentrate be formed by a series of subsequent reduction reactions.
Das Verfahren kann den Schritt des Erzeugens von Kohlenmonoxid beinhalten, wobei das genannte Plasma wenigstens teilweise in dem Kohlenmonoxid angeregt und gehalten wird.The Method may include the step of generating carbon monoxide, wherein said plasma is at least partially in the carbon monoxide is stimulated and held.
Wenn das Eingangsgas Luft enthält und das Reduktionsmittel partikuläres, kohlenstoffhaltiges Material enthält, kann das Kohlenmonoxid durch die Reaktion von dem Sauerstoff in der Luft mit dem partikulären, kohlenstoffhaltigen Material erzeugt werden.If the input gas contains air and the reducing agent is particulate carbonaceous material contains can the carbon monoxide by the reaction of the oxygen in the air with the particulate, carbonaceous material are generated.
Alternativ oder zusätzlich kann, wenn das Eingangsgas Luft enthält und das Reduktionsmittel partikuläres, kohlenstoffhaltiges Material enthält, das Kohlenmonoxid durch die Reaktion von dem Kohlendioxid, welches während der Reduktion mit dem partikulären, kohlenstoffhaltigen Material hergestellt wird, erzeugt werden.alternative or additionally can, if the input gas contains air and the reducing agent particulate, carbonic Contains material, the carbon monoxide by the reaction of the carbon dioxide, which while the reduction with the particulate, carbonaceous material is produced.
Anderenfalls oder zusätzlich kann das partikuläre, kohlenstoffhaltige Material in die Reaktionskammer nach dem Anregen von dem Plasma eingeleitet werden, wobei das Kohlenmonoxid durch die Reaktion von dem während der Reduktion produzierten Kohlendioxid und/oder mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, wenn das Eingangsgas Luft enthält, mit dem eingeleiteten partikulären, kohlenstoffhaltigen Material erzeugt wird.Otherwise, or additionally can the particulate, Carbonaceous material in the reaction chamber after stimulation be initiated by the plasma, wherein the carbon monoxide by the reaction of that during The reduction produced carbon dioxide and / or with the in the Air containing oxygen, if the input gas contains air, with the initiated particulate, carbonaceous material is generated.
Vorzugsweise wird das Erz oder das Konzentrat während der genannten Reduktion und während des Kühlens des Reduktionsproduktes nach der Bestrahlung von der genannten Reaktionskammer von einer nicht-oxidierenden oder Inertgasumgebung umhüllt.Preferably becomes the ore or concentrate during the mentioned reduction and while of cooling of the reduction product after irradiation from said reaction chamber of enveloped in a non-oxidizing or inert gas environment.
Vorzugsweise wird das genannte nicht-oxidierende oder Inertgas während des Kühlens in die genannte Reaktionskammer eingeleitet.Preferably is said non-oxidizing or inert gas during the cooling introduced into said reaction chamber.
In einer Ausführungsform wird das Eingangsgas während des Bestrahlungsschrittes durch das Erz oder Konzentrat hindurchgeleitet.In an embodiment the input gas is during the irradiation step passed through the ore or concentrate.
Vorzugsweise wird das Eingangsgas aufwärts durch das Erz oder das Konzentrat geblasen.Preferably the input gas goes up blown through the ore or concentrate.
Vorzugsweise wird das Eingangsgas vor dem Laden in die Reaktionskammer vorerhitzt.Preferably the input gas is preheated prior to loading into the reaction chamber.
Es ist eine übliche Auffassung gewesen, dass die Erzeugung von Plasmen während der chemischen Mikrowellenbearbeitung von Materialien, und insbesondere während der pyrometallurgischen Reduktion von metallhaltigen Erzen oder Konzentraten, schädlich für die Prozesssystemhardware und die Diagnoseeinrichtungen für Überwachung und Regelung und entsprechend ist es typisch für derartige Prozesse, dass sie in einer Art und Weise kontrolliert werden, um ausdrücklich die Erzeugung von Plasma zu vermeiden.It is a common one Conception that the production of plasmas during the chemical microwave processing of materials, and in particular while the pyrometallurgical reduction of metal-containing ores or Concentrates, harmful for the Process system hardware and diagnostic devices for monitoring and regulation and accordingly it is typical of such processes that they are controlled in a way that expressly the Avoid generation of plasma.
Die Reaktionsgeschwindigkeiten können jedoch mit einer oder mehreren Größenordnungen bei der Plasmaprozessierung ansteigen. Ein Plasma ist eine Mischung aus angeregten Molekülen, Atomen, Ionen, Elektronen und rekombinierten Partikeln in einem im Grundstadium befindlichen Wirtsgas. Mit den hohen Partikelenergien, welche für derartige Komponenten kennzeichnend sind, unterscheidet sich das physikalische und chemische Verhalten von diesen Komponentenpartikeln ausgesprochen von den äquivalenten Partikeln „im Grundzustand".The Reaction speeds can but with one or more orders of magnitude in plasma processing increase. A plasma is a mixture of excited molecules, atoms, ions, Electrons and recombined particles in one at baseline host gas. With the high particle energies, which for such Characteristic components are different, the physical and pronounced chemical behavior of these component particles from the equivalent Particles "im Ground state ".
In pyrometallurgischen Prozessen, welche in einer Plasmaumgebung durchgeführt werden, existiert eine Vorherrschaft der Reaktionschemie, die an der Grenzfläche Plasma-Feststoff oder Plasma-Flüssigkeit stattfindet. Während dieses Merkmal charakteristisch für pyrometallurgische Prozesse im Allgemeinen ist, sind die Reaktionsgeschwindigkeiten über diese Grenz flächen durch die Plasmachemie außerordentlich erhöht, mit einer Fülle an hochenergetisierten reaktiven Spezies.In pyrometallurgical processes, which are carried out in a plasma environment, There is a predominance of reaction chemistry at the plasma-solid interface or plasma fluid takes place. While this characteristic is characteristic of pyrometallurgical processes In general, the reaction rates are above this Border areas extraordinary by the plasma chemistry elevated, with a wealth on highly energized reactive species.
Plasmen, die bei „hohen" Drücken angeregt und gehalten werden, weisen eine annähernde Gleichwertigkeit der Temperatur zwischen Elektronen und schweren Partikeln (Ionen, Atome, angeregte Moleküle) auf. Dementsprechend werden diese Plasmen Gleichgewichts-Plasmen genannt, da hier ein (annähernd) thermales Gleichgewicht zwischen den Partikeln vorliegt. Dies zeigt sich insbesondere bei höheren Drücken, da die hohe Dichte an Partikeln eine gesteigerte Häufigkeit der Kollision zwischen den Partikeln bereitstellt, wobei die Energie relativ gleichförmig zwischen den Partikeln verteilt wird, was eine konstante Haupttemperatur durchgehend in der Partikelspezies von dem Plasma bereitstellt. Aufgrund der Hochenergiedichten (thermale Masse), sind Gleichgewichtsplasmen gewöhnlich als Vorstufen-Verfahren in der Materialbearbeitung wegen ihrer Fähigkeit feste Materialien zu Erhitzen, zu Sintern, zu Schmelzen oder zu Verdampfen verwendet worden. Dies sind alles im Wesentlichen physikalische Prozesse, die lediglich den Vorteil der physikalischen thermalen Kinetiken (Eigenschaften) von dem Gleichgewichtsplasma wahrnehmen.plasmas, the excited at "high" pressures and held to have an approximate equivalence the temperature between electrons and heavy particles (ions, Atoms, excited molecules) on. Accordingly, these plasmas are called equilibrium plasmas, here's one (approximately) thermal equilibrium exists between the particles. this shows especially at higher levels To press, because the high density of particles an increased frequency the collision between the particles provides, with the energy relatively uniform is distributed between the particles, giving a constant main temperature throughout in the particle species of the plasma. Due to the high energy densities (thermal mass), are equilibrium plasmas usually as a precursor process in materials processing because of their ability solid materials for heating, sintering, melting or to Evaporation has been used. These are all essentially physical Processes that merely have the advantage of physical thermal Perceive kinetics (properties) of the equilibrium plasma.
Plasmen
im Nichtgleichgewichtszustand, die eher kennzeichnend sind für Niedrigdruckumgebungen,
sind durch eine Nichtgleichwertigkeit der Partikeltemperatur gekennzeichnet,
wobei die „Temperatur" der Elektronen bei
weitem die Temperaturen von den schwereren Partikeln übersteigt.
Die Leistungsfähigkeit der Bearbeitung von Plasmen im Nichtgleichgewichtszustand bei niedrigem Druck wird eher durch die Reaktivität der vorhandenen chemisch reaktiven Spezies bestimmt als von der Gesamtenergie, die im Plasma verfügbar ist. Diese Reaktivität macht die Plasmen im Nichtgleichgewichtszustand eher geeignet für Systeme, die von den chemischen Kinetiken der chemischen Reaktionen abhängig sind, wie die von der vorliegenden Anmeldung, als die Gleichgewichts-Plasmen, die, wie vorangehend diskutiert, hauptsächlich in physikalischen Prozessen verwendet worden sind.The performance of processing non-equilibrium plasmas at low pressure is determined more by the reactivity of the existing chemically reactive species than by the total energy available in the plasma. This reactivity makes the non-equilibrium plasmas more suitable for systems that depend on the chemical kinetics of the chemical reactions, such as those of the present application, than the equilibrium plasmas, such as previously discussed, have been used primarily in physical processes.
Die
Form von dem Diagramm in
Typische
Verfahren zur Herstellung von Plasmen sind mittels Ionisierung durch
Erhitzen (thermische Stimulation), Ionisierung mittels Bestrahlung
und Ionisierung mittels elektrischer Entladung. Während die
meisten Plasmaherstellungsverfahren in einem Gleichgewichtsplasma
bei Drücken
um den Atmosphärendruck
herum resultieren werden, wird angenommen, dass die Erzeugung von
einem Plasma durch Bestrahlung, insbesondere in den Bereichen der
RF- und Mikrowellenfrequenzen zwischen 30 MHz und 300 GHz, die Kurve
von
Hier wird angenommen, dass dies das Ergebnis von der Mikrowellenbestrahlung ist, welche den dielektrisch verschiedenen Partikeln von dem Plasma Energie zuführt, insbesondere den Elektronen. Bei Frequenzen innerhalb der RF- und Mikrowellen-Frequenzen können nur die Elektronen in dem ionisierten Feld den Oszillationen von dem angelegten elektrischen Feld folgen. Daraus ergibt sich, dass die Elektronen derart höher gegenüber den schwereren Partikeln von dem Plasma energetisiert werden, dass die RF-/Mikrowellen-Plasmen im Allgemeinen als im Nichtgleichgewicht befindliche Plasmen definiert werden können. Derartige RF-/Mikrowellen-Plasmen können über einen großen Druckbereich von unterhalb 0,1 kPa (für Prozesse außerhalb des Hauptinteresses der vorliegenden Erfindung) bis zu Drücken, die über 300 kPa hinausgehen, angeregt und gehandhabt werden.Here It is believed that this is the result of microwave irradiation which is the dielectrically different particles from the plasma Supplying energy, especially the electrons. At frequencies within the RF and Microwave frequencies can only the electrons in the ionized field follow the oscillations of follow the applied electric field. It follows that the electrons are so higher across from The heavier particles are energized by the plasma the RF / microwave plasmas are generally considered to be in non-equilibrium located plasmas can be defined. Such RF / microwave plasmas can over one huge Pressure range below 0.1 kPa (for processes outside of the Main interest of the present invention) up to pressures exceeding 300 kPa, to be stimulated and managed.
Wenn ein Mikrowellenfeld über einem Gas angelegt ist, werden die geladenen Partikel in diesem gas beschleunigt. Weil die Masse der Elektronen viel, viel kleiner als die der schwereren Ionen, Atom- und Molekülpartikel ist, wird die Wirkung von dem Feld hauptsächlich die sein, Energie an die Elektronen abzugeben. Dementsprechend können die Elektronentemperaturen in dem extrem hohen Bereich von zehntausenden Grad Kelvin liegen, während hingegen die scheinbare kalorische Mitteltemperatur von dem Plasma (hauptsächlich durch die schwereren Partikel bestimmt) um Größenordnungen niedriger liegt.If a microwave field over A gas is applied to the charged particles in this gas accelerated. Because the mass of electrons is much, much smaller than which is the heavier ions, atomic and molecular particles, becomes the effect mainly from the field which are to give energy to the electrons. Accordingly, the Electron temperatures in the extremely high range of tens of thousands Degrees Kelvin lie while on the other hand, the apparent calorific mean temperature of the plasma (mainly determined by the heavier particles) is orders of magnitude lower.
Die Reaktionsgeschwindigkeiten werden im Allgemeinen durch die Massentransport-Diffusion, welche durch die dielektrischen Aufheizmechanismen während der RF-/Mikrowellenbearbeitung sehr stark erhöht wird, von den Ausgangsstoffen reguliert, typischerweise in der Gegenwart von einem RF-/Mikrowellen-stimulierten Plasma, das, per Definition, eine große Population an reaktiven Spezies aufweisen wird.The Reaction rates are generally controlled by mass transport diffusion by the dielectric heating mechanisms during RF / microwave processing very much increased is regulated by the starting materials, typically in the presence from an RF / microwave-stimulated plasma that, by definition, has a size Population of reactive species.
Die Plasmabearbeitung unter Verwendung der RF-/Mikrowellen-Stimulation gestattet ebenfalls einen großen Grad der Kontrolle über den Prozess, wobei die Mikrowellenbestrahlung auf die Füllung der Ausgangsstoffe ausgerichtet werden kann, auf solche Weise, dass die gesamte Füllung der Ausgangsstoffe innerhalb der Reaktionskammer umhüllt wird oder eine diskrete Zone innerhalb der Füllung besetzt wird. In kontinuierlichen Bearbeitungssystemen kann die Verweilzeit und die thermochemischen Parameter wirksam durch die Kontrolle von der angewandten Strahlung reguliert werden, was überlegene Bearbeitungs- oder Reduktionsergebnisse liefert.The Plasma processing using RF / microwave stimulation also allows one huge Degree of control over the process whereby the microwave irradiation on the filling of the starting materials can be aligned in such a way that the entire filling of the Starting materials within the reaction chamber is enveloped or discrete Zone within the filling is occupied. In continuous processing systems, the Residence time and the thermochemical parameters are effective through the Control of the applied radiation can be regulated, which is superior Provides machining or reduction results.
Während niedrigere Drücke, die deutlich unter dem Atmosphärendruck liegen, eindeutig die Erzeugung von einem Nichtgleichgewichts-Plasma mit einem großen Missverhältnis zwischen den Temperaturen von den Elektronen und den schwereren Partikeln sicherstellen, wird, falls der Druck in der Reaktionskammer zu gering ist, dann die Dichte der reaktiven Spezies für das Ausführen der chemische Bearbeitung für eine ökonomisch durchführbare Bearbeitung zu niedrig werden. Dementsprechend wird bevorzugt, dass der Druck in der Reaktionskammer, in welcher das Plasma angeregt und gehalten wird, größer als 40 kPa ist.While lower pressures which is well below atmospheric pressure clearly, the generation of a nonequilibrium plasma with a great disproportion between the temperatures of the electrons and the heavier ones Ensure particles, if the pressure in the reaction chamber is too low, then the density of reactive species for performing the chemical processing for an economic one feasible Processing becomes too low. Accordingly, it is preferred that the pressure in the reaction chamber in which the plasma is excited and is held larger than 40 kPa.
Der innewohnende Vorteil der Nichtgleichgewichts-Plasmachemie (Ionisierungschemie) von den Nichtgleichgewichts-Plasmen ist, wenn sie in chemischen und metallurgischen Anwendungen eingesetzt werden, dass diese Plasmen Partikel mit der hohen Energie bereitstellen können, die benötigt wird, um die chemischen Reaktionen bei hohen kinetischen Geschwindigkeiten zu stimulieren und zu vervollständigen. Für den Bereich der Anwendungen, der für die vorliegende Erfindung maßgeblich ist, sind hohe Geschwindigkeiten des Massetransfers mit hohen kinetischen Geschwindigkeiten erwünscht. Demzufolge sind häufig kommerziell durchführbare Produktivitätsniveaus bei den extrem niedrigen Drücken, welche extrem niedrige Geschwindigkeiten des Massetransfers bereitstellen, nicht erzielbar.Of the inherent advantage of non-equilibrium plasma chemistry (ionization chemistry) of nonequilibrium plasmas is when they are in chemical and metallurgical applications are used that these plasmas Can provide particles with the high energy needed to the chemical reactions at high kinetic speeds to stimulate and complete. For the Range of applications for the present invention relevant is, high rates of mass transfer are high kinetic Speeds desired. As a result, they are common commercially feasible productivity levels at the extremely low pressures, which provide extremely low rates of mass transfer, not achievable.
Umgekehrt besteht der Vorteil des Durchführens bestimmter Reaktionen unter Bedingungen eines Nichtgleichgewichts-Plasmas, ungeachtet der niedrigen Massetransfergeschwindigkeiten, darin, das in der Plasmaumgebung niedriger Dichte, die hochenergetischen freien Elektronen und die ionisierten Partikel einen größeren freien Weg im Durchschnitt zurücklegen, bevor sie eine Kollision und Rekombination erfahren, was eine außerordentlich gesteigerte Energie für die Rekombinationschemie verleiht. Diese an möglichen Reaktionsstellen vorliegende gesteigerte Energie ermöglicht, dass der Aktivierungsenergiebedarf für die Reaktionen, die einen außerordentlich hohen Energieeinsatz für ihr Voranschreiten benötigen, erreicht wird. Infolgedessen können bestimmte thermodynamisch anspruchsvolle metallurgische und chemische Reaktionen wirkungsvoll, falls langsam, oder wenn überhaupt, durch die Verwendung der außerordentlich hochenergetischen Partikel bei niedrigen Drücken ausgeführt werden.Vice versa there is the advantage of performing certain reactions under non-equilibrium plasma conditions, regardless of the low mass transfer rates, in that, the in the plasma environment of low density, the high-energy free Electrons and the ionized particles a greater free path on average return, before they experience a collision and recombination, which is an extraordinary increased energy for which confers recombination chemistry. These present at possible reaction sites allows increased energy, that the activation energy needs for the reactions that are extremely extraordinary high energy input for need their progress, is reached. As a result, can certain thermodynamically demanding metallurgical and chemical Reactions effective, if slow, or if at all, through the use of the extraordinary high-energy particles are carried out at low pressures.
Prozesse, welche einen Schutz vor Reoxidationsreaktionen benötigen, profitieren von dem Schutz, wie er durch das Entfernen von potentiellen Oxidationsquellen durch anfänglichen und kontinuierlichen Abtransport von oxidierenden Reagenzien, wie beispielsweise von dem verbreiteten Reduktionsreaktionsprodukt Kohlendioxid, eingeschlossen ist. Dies kann durch Halten des Prozesses bei niedrigen Drücken und kontinuierlichem Evakuieren der Reaktionskammer erreicht werden. Wahlweise oder zusätzlich kann dieses Kohlendioxid mit feinem Kohlenstoff in der Reaktionskammer bei erhöhten Temperaturen zu dem Reduktionsmittel Kohlenmonoxid umgewandelt werden.processes, which need protection against reoxidation reactions benefit from the protection, as by removing potential sources of oxidation through initial and continuous removal of oxidizing reagents, such as for example, from the common reduction reaction product carbon dioxide, is included. This can be done by holding the process at low pressure and continuous evacuation of the reaction chamber can be achieved. Optional or additional can this carbon dioxide with fine carbon in the reaction chamber at elevated Temperatures are converted to the reducing agent carbon monoxide.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die bevorzugten Formen von der vorliegenden Erfindung werden jetzt weiter durch Beispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:The preferred forms of the present invention will now be further described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION THE PREFERRED EMBODIMENTS
BEISPIEL 1EXAMPLE 1
Dieses
Beispiel beschreibt ausführlich
einen Prozess zur Reduktion von Monazit [(Ce,La,Th)PO4], unter
Verwendung eines Schmelztiegel-Batch-Reduktionsprozesses, um den
Phosphor (aus dem Phosphat) zu beseitigen und die reduzierten Schwermetalle
in ein metallisches oder Hartmetall-Produkt zu konzentrieren. Wenn
der Phosphor entfernt ist, ist das Reaktionsprodukt aus Schwermetall-(Hartmetall-)Konzentrat
für die
weitere extraktive Aufarbeitung in einer Route über Halogenierung, fraktionelle Destillation
und danach Auftrennung geeignet. Das in diesem Beispiel verwendete
Monazit enthielt La;Ce:Th in einem angenäherten Atomverhältnis von 3:1:1.
Andere Phosphatmineralien sind ebenfalls auf eine ähnliche
Art und Weise mit vergleichbaren Ergebnissen bearbeitet worden.
Die Vorrichtung, die für die
Ausführung
von dem Prozess in diesem Beispiel verwendet wurde, ist in
Zuerst wurde das Monazit-Konzentrat, welches aus Mineralsanden erhalten worden war, durch Mahlen auf eine Korngröße von weniger als 10 Mikrometer in eine partikuläre Form gebracht und innig mit einem stöchiometrischen Überschuss von 10% eines Reduktionsmittels in der Form von feinem reinen Kohlenstoff vermischt. Die feine Mischung erhöht die verfügbare Reaktionsfläche der Grenzschicht.First became the monazite concentrate obtained from mineral sands by grinding to a particle size of less than 10 microns into a particular Form brought and intimately with a stoichiometric excess of 10% of a reducing agent in the form of fine pure carbon mixed. The fine mixture increases the available reaction area of the Boundary layer.
100
Gramm von dem Gemisch aus Monazit und Koh lenstoff wurden in einen
Schmelztiegel
Ein
für Mikrowellen
durchlässiges,
aus Aluminiumsilikat bestehendes Faservlies, bedeckte als Isolierhülle
Die
Reaktionskammer
Die
verschlossene Reaktionskammer
Die
Argonzufuhr wurde danach abgeschaltet und die Reaktionskammer
Die
Reaktionskammer wurde anschließend mit
der Mikrowellenstrahlung über
einen oben angebrachten Wellenleiter
Der
Rest von dem Argongas (bei 40 kPa) in der weitgehend evakuierten
Reaktionskammer
Das
in der obigen Festkörperreduktion
hergestellte CO wird selbst zu einem wirksamen Reduktionsmittel,
wobei es Kohlenstoff in einer gasförmigen Form mit einer größeren Wirksamkeit
zu der Reaktionsgrenzfläche
transportiert. Ebenfalls bedeutsam für die Kinetiken von der Reaktion,
ionisiert das gasförmige
CO in der durch die Mikrowellen stimulierten Umgebung, um das Plasma
anzureichern und außerordentlich
aktive positive Ionenspezies (hauptsächlich CO+)
bereitzustellen, welche in dem ursprünglichen Argonplasma nicht
vorhanden sind. Während das
Argonplasma außerordentlich
energiereiche negative (einschließlich Elektronen), positive,
rekombinierte und angeregte Spezies aufweist, stellt es keine reaktiven
Radikalspezies bereit. Die Ionisierung von dem CO und die Gasphasenreduktion
von dem Monazit kann durch die nachfolgenden Gleichungen 1(b) und
1(c) wiedergegeben werden:
Das CO in der Gleichung 1(c) kann in der ionisierten Form CO+ vorliegen.The CO in equation 1 (c) may be in the ionized form CO + .
Ein
weiterer letzter Reduktionsschritt von dem Oxycarbid zu einem (komplexen)
Metallcarbid wurde ausgeführt,
wieder unter Verwendung von CO (mindestens teilweise ionisiert)
als Reduktionsmittel. Die nachfolgende Gleichung 1(d) kann verwendet werden,
um angemessen diesen letzten Schritt von dem Reduktionsprozess zu
beschreiben:
Wiederum kann das CO in der Gleichung 1(d) in der ionisierten Form CO+ vorliegen.Again, the CO in equation 1 (d) may be in the ionized form CO + .
Während diese Reduktion zu dem Carbid durch die Analyse bestätigt wurde, zeigte das sehr heiße Carbid eine Neigung Sauerstoff aus dem ansonsten sehr stabilen Oxidschmelztiegel (und anderem feuerbeständigen Material, mit dem es in Kontakt ist) zu entziehen und einen Großteil von dem Carbid-Produktmaterial zu der/den stabileren Oxycarbid-Phase(n) zurückzubringen.While these Reduction to the carbide was confirmed by the analysis showed the very hot carbide an inclination oxygen from the otherwise very stable oxide crucible (and other fire resistant Material with which it is in contact) and much of the carbide product material to the more stable oxycarbide phase (s) return.
Während der
vorangehend erwähnten
Reduktionsreaktionen, wurden die dabei produzierten Gase aus der
Reaktionskammer über
den Auslass
Die
Mikrowellenbestrahlung, welche das Plasma und die Reduktionsreaktionen
aufrechterhält, wurde
fortgeführt,
bis die charakteristische CO-Plasmafarbe nicht mehr länger visuell
mit der gleichen Intensität
nachgewiesen werden konnte. Diese Änderung in der Plasmafarbe
und Intensität
lässt vermuten,
dass CO nicht mehr länger
hergestellt wurde, was darauf hinweist, dass die Reduktion abgeschlossen
worden ist, zusammen mit einer damit verbundenen Verminderung des
Druckes, bis hinunter zum Pumpenlimit. In dieser Phase wird von
dem Plasma angenommen, dass es hauptsächlich ein CO-Plasma gewesen
ist, wobei das Argon überwiegend
während der
konstanten Evakuierung durch den Reaktionskammerauslass
Eine
Minute über
diesen visuell bestimmten Punkt der vorangehend diskutierten verminderten Farbe
und Intensität
des CO-Plasmas und etwa 10 Minuten nach dem Plasmaanfang wurde die
Mikrowellenenergie abgeschaltet. Argon wurde in die weiterhin evakuierte
Kammer über
den Gaseinlass
Die
Reaktionskammer
Die
Metallreaktionskammerwand
BEISPIEL 2EXAMPLE 2
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen Prozess zum ökonomischen Zurückgewinnen von wertvollen Metallen aus metallurgischen Abfällen und Schlacken, unter Verwendung eines Schmelztiegel-Batch-Reduktionsprozesses. Das Zink wurde aus einer zinkhaltigen Schlacke durch in situ-Reduktion von dem Metall in der Schlacke und Rückgewinnung des Metalls als metallischer Rauch aus der heißen Reaktionsschicht zurückgewonnen. Der Zinkrauch kann, zu diesem Zeitpunkt, zu einer veredelten Qualität von Zinkoxidpulver reoxidiert oder mit einem Halogen umgesetzt werden, um ein Zinkhalid zu ergeben. Im Zusammenhang mit dieser Spezifikation muss verstanden werden, dass ein Rauch einen metallischen Dampf oder ein metallisches Oxid, metallisches Halid oder einen weiteren ähnlichen Dampf, der von einem metallischen Dampf abgeleitet ist, einschließt.This example describes in detail a process for economically recovering valuable metals from metallurgical wastes and slags using a crucible batch reduction process. The zinc was made from a zinc-containing slag by in situ reduction of the metal in the slag and recovery of the metal recovered as metallic smoke from the hot reaction layer. The zinc smoke may, at this time, be reoxidized to a refined grade of zinc oxide powder or reacted with a halogen to yield a zinc halide. In the context of this specification, it must be understood that a smoke includes a metallic vapor or a metallic oxide, metallic halide, or another similar vapor derived from a metallic vapor.
Der Prozess wurde erfolgreich in einem Gasgemisch aus Stickstoff und Kohlenmonoxid bei Atmosphärendruck durchgeführt, im Gegensatz zu dem verminderten Druck in Beispiel 1. Da Metalle wie Zink weniger ein „Sauerstofffänger" sind als die „reaktiven Metalle" (wie beispielsweise La, Ce und Th von der reduzierten festen Produktphase von Beispiel 1), wies das reduzierte Zinkprodukt von dem vorliegenden Beispiel eine geringere Tendenz zur Reoxidation auf und benötigte dementsprechend weniger Schutz gegen Reoxidation. Infolgedessen konnte der Prozess erfolgreich bei Atmosphärendruck durchgeführt werden, da die Neigung von dem reduzierten Produkt, zu reoxidieren, durch die Reduktionsbedingungen in der Reaktionsumgebung von der Reaktionskammer unterdrückt wurde. Das gewünschte Rauchprodukt (Metall, -oxid oder -halid) diktierte die Zusammensetzung von und die damit zusammenhängenden chemischen Möglichkeiten für die Reaktionskammerumgebung, in welcher das Zink reduziert und angeraucht wurde. In dem vorliegenden Beispiel konnten die Wirksamkeit des Prozesses und die Produktqualität durch das Erzeugen und Halten von einem Nichtgleichgewichts-Plasma bei Atmosphärendruck gehalten werden und dementsprechend wurden die Schwierigkeiten und der Aufwand für das Erhalten und Kontrollieren von einer Reaktionskammerumgebung mit vermindertem Druck vermieden.Of the Process was successful in a gas mixture of nitrogen and Carbon monoxide at atmospheric pressure carried out, in contrast to the reduced pressure in Example 1. Because metals how zinc is less of an "oxygen scavenger" than the "reactive metals" (such as La, Ce and Th from the reduced solid product phase of Example 1) showed the reduced zinc product of the present example a lower tendency for reoxidation and needed accordingly less protection against reoxidation. As a result, the process could successful at atmospheric pressure be performed, because of the tendency of the reduced product to reoxidize through the reduction conditions in the reaction environment from the reaction chamber repressed has been. The wished Smoke product (metal, oxide or halide) dictated the composition from and the related chemical possibilities for the Reaction chamber environment in which the zinc is reduced and smoked has been. In the present example, the effectiveness of the Process and product quality by creating and maintaining a nonequilibrium plasma at atmospheric pressure and accordingly were the difficulties and the effort for obtaining and controlling a reaction chamber environment avoided with reduced pressure.
Die
Vorrichtung, die für
die Ausführung
von dem Prozess in diesem Beispiel verwendet wurde, ist in
Das Zink-haltige metallurgische Schlackenmaterial, welches einen mineralogischen Gehalt an Zinkoxid (ZnO) aufweist, oder eine mehr komplexe Mineralogie mit ZnO-Äquivalenten, wurde in eine partikuläre Form mit einer Korngröße von weniger als 500 Mikrometer gemahlen und zu dem doppelten des stöchiometrischen Bedarfs (unter Bezugnahme auf ZnO) mit einem Reduktionsmittel in der Form von feiner reaktiver Aktivkohle vermischt.The Zinc-containing metallurgical slag material, which is a mineralogical Content of zinc oxide (ZnO), or a more complex mineralogy with ZnO equivalents, became a particular Shape with a grain size of less ground to 500 microns and twice the stoichiometric Demand (with reference to ZnO) with a reducing agent in the form of fine reactive activated carbon mixed.
100
Gramm von dem Gemisch wurde in einen Aluminiumoxid-Schmelztiegel
Der
Schmelztiegel
Die
Reaktionskammer
Die
Reaktionskammer
Über die
Interpretation von dem Plasmaumfang und der Intensität der Strahlungshitze
durch den Bediener wurde die Mikrowellenbestrahlung von der Reaktionskammer
Ungefähr eine
bis zwei Minuten nach der Anregung des Plasmas wurde bereits ein
metallischer Rauch, der von dem Plasma aufstieg, festgestellt, was
auf die Reduktion von dem Zinkoxidgehalt der Schlacke hindeutet.
Das feste und gasförmige
Reduktionsstadium von dem Zinkoxid, unter Verwendung der Aktivkohle
beziehungsweise von CO-Plasma als Reduktionsmittel, kann durch die
nachfolgenden Gleichungen 2(a) und 2(b) wiedergegeben werden:
Das CO in der Gleichung 2(b) kann in der ionisierten Form CO+ vorliegen.The CO in the equation 2 (b) may be in the ionized form CO + .
Der
metallische Rauch ist insbesondere visuell leicht nachzuweisen,
wenn es gestattet wurde, dass er reoxidiert, wenn er die reduzierende
Atmosphäre
von dem Schmelztiegel
Um
ein fein verteiltes Zinkoxid-(ZnO-)Pulver herzustellen, wurde eine
Sauerstoffstrom (O2) derart eingeführt, dass
der reduzierte Zinkmetalldampf durch den O2-Strom
durchtritt, wobei er schnell zu einem Rauch aus einer festen Zinkoxidphase
umgewandelt wird, welcher leicht aufgefangen werden konnte. Während bereits
das Hindurchtreten des Zinkmetalldampfes durch das CO2 innerhalb
der Reaktionskammerumgebung als ein Reduktionsnebenprodukt nach
Gleichung 3(b) ebenfalls die Wirkung der Oxidation des Zinkdampfes
aufwies, ist diese Reaktion weniger spontan und resultierte in etwas
Zinkrauch, der nicht umgewandelt als fester Zinkrauch zurückblieb.
Um Zinkchlorid (ZnCl2) herzustellen, kann Cl2-Gas quer durch den heißen Zinkdampf eingeströmt werden.
Das hergestellte Zinkchlorid musste deutlich abgekühlt werden,
bevor ein festes Rauchprodukt durch Ausfällung an einer gekühlten Oberfläche aufgefangen
werden konnte. Die Reoxidationsprozesse können durch die nachfolgenden Gleichungen
2(c) bis 2(e) wiedergegeben werden:
Das
Rauchprodukt, abhängig
von der Systematmosphäre
in der Form von metallischem Zink, Zinkoxid oder einem Zinkhalid,
wurde durch einen für Mikrowellen
durchlässigen
Borsilikat-Dunstabzug
Sobald das Rauchen auf eine visuell nicht mehr wahrnehmbare Menge abgeklungen war, wurde der Prozess als für beendet erachtet und die Bestrahlung eingestellt. Die Vollständigkeit des Prozesses wurde später durch die Analyse von dem Schlackenmaterial, das im Schmelztiegel zurückblieb, bestätigt.As soon as smoking ceased to be visually imperceptible was the process as for finished and stopped the irradiation. The completeness the process became later by analyzing the slag material in the crucible remained, approved.
Unmittelbar nachdem die Bestrahlung eingestellt worden war, war die Füllung von dem Schmelztiegel noch reaktiv und für einen längeren Zeitraum bei einer hohen Temperatur und das Einströmen von dem reduzierenden CO/N2-Gasgemisch wurde fortgesetzt, bis sich die Füllung auf etwa 200°C abgekühlt hatte. Ein weitergehendes Einströmen von Stickstoff wurde anschließend verwendet, um das System auf Umgebungstemperatur abzukühlen.Immediately after the irradiation was stopped, the charge from the crucible was still reactive and at a high temperature for an extended period of time, and the flowing CO / N 2 gas mixture was continued until the charge cooled to about 200 ° C would have. Continued inflow of nitrogen was then used to cool the system to ambient temperature.
BEISPIEL 3EXAMPLE 3
Dieses
Beispiel beschreibt ausführlich
einen Prozess zum Reduzieren von Chromit-(FeO·Cr2O3)Erzkonzentrat unter Verwendung eines Schmelztiegel-Batch-Reduktionsprozesses,
der in einer Chrom-Eisen-Legierung resultiert. Die Vorrichtung,
die für
die Ausführung
von dem Prozess in diesem Beispiel verwendet wurde, ist in
Der Prozess wurde bei Atmosphärendruck durchgeführt, der sich für dieses Beispiel als angemessen bewährt hatte. Ferner wurde, anstatt die Reaktionskammer mit einer Gasmischung aus Stickstoff und Kohlenmonoxid wie in Beispiel 2 zu befüllen, Luft (hauptsächlich aus N2, O2 zusammengesetzt) als das anfängliche Gas in der Reaktionskammer verwendet. Die Verbrennung von Kohle durch Erhitzen und die Mikrolichtbogenbildung von der Kohle in der sauerstoffreichen Umgebung für die CO Herstellung waren ausreichend, das Reaktionsprodukt vor der Reoxidation zu schützen. Ferner bedeckt geschmolzene Schlacke die reduzierten metallischen Produktstadien, um weiteren Schutz in diesem Beispiel zu gewähren, was die einfachere und ökonomischere Bearbeitungsvariante mit einer Luftumgebung bei Atmosphärendruck ermöglichte.The process was carried out at atmospheric pressure, which had proved appropriate for this example. Further, instead of filling the reaction chamber with a gas mixture of nitrogen and carbon monoxide as in Example 2, air (composed mainly of N 2 , O 2 ) was used as the initial gas in the reaction chamber. The combustion of coal by heating and the micro-arc formation of the coal in the oxygen-rich environment for CO production were sufficient to protect the reaction product from reoxidation. Further, molten slag covers the reduced metallic product stages to provide further protection in this example, allowing the simpler and more economical processing variant with an atmospheric atmosphere at atmospheric pressure.
Ein
Chromiterz-Konzentrat von hoher Qualität wurde in einer Ringmühle mit
einem Reduktionsmittel in der Form von brauner Aktivkohle in stöchiometrischer
Menge zu einer Korngröße von weniger als
200 Mikrometer vermahlen. Das Gemisch wurde lose in einen geeigneten,
für Mikrowellen
durchlässigen
Schmelztiegel aus Oxidkeramik
Der
isolierte Schmelztiegel
Die
Reaktionskammer
Die
anfängliche
Mikrolichtbogenbildung von der Aktivkohle in dem angewendeten Mikrowellenfeld in
der Sauerstoff-haltigen Luftumgebung erzeugte gemäß der nachfolgenden
Gleichung 3(a) CO, was einen Schutz gegen die Reoxidation der nachfolgenden
Reaktionsprodukte bereitstellte.
Wenn
die Temperatur in der Füllung
der Ausgangsstoffe sich erhöhte,
mit massiven Abweichungen in lokalen Temperaturen um ein willkürliches Temperaturprofil
herum, wurde ein Nichtgleichgewichts-Stickstoff plasma in der hauptsächlich Stickstoff-enthaltenden
(Luft-)Atmosphäre
von der Reaktionskammer
Die
durch das Stickstoffplasma, unter der Verwendung der Aktivkohle
als direktes anfängliches Reduktionsmittel,
stimulierte Aktivierung von der Festphasenreduktion des Chromits
erzeugt Kohlenmonoxid (CO) als ein Nebenprodukt der Festphasenreduktion,
was ionisiert und somit zu der Plasmachemie beiträgt. Die
Reaktionen produzieren ein metallisches Chromprodukt, die eine Wustit-(FeO)
reiche Phase zurücklassen,
welche in einer zweiten Stufe reduziert wird. Dieses Ergebnis kann
durch die größere Mikrowellen-Empfindlichkeit
von Cr2O3 gegenüber FeO
(sich in einem Mikrowellenfeld aufzuheizen) erklärt werden. Die anfängliche
Festkörperreduktion von
dem Chromit kann durch die nachstehende Gleichung 3(b) wiedergegeben
werden:
Das
entsprechend den Gleichungen 3(a) und 3(b) erzeugte CO ist thermodynamisch
unterhalb von annähernd
950°C nicht
stabil, wenn es in einer sauerstoffhaltigen Umgebung ist, wie sie
beispielsweise in dem vorliegenden Beispiel vorhanden ist, und neigt beim
Abkühlen
dazu, mit dem Sauerstoff, der in der Luftatmosphäre vorhanden ist, zu Kohlendioxid (CO2) gemäß der nachstehenden
Gleichung 3(c) zu oxidieren:
Mit
steigender Temperatur ist jedoch bei den im Plasma herrschenden „Temperaturen" der umgekehrte Fall
im Allgemeinen richtig, wobei freie Sauerstoff- und Kohlendioxidgas-Moleküle in der
Atmosphäre
von der Reaktionskammer
Das durch diese Reaktionen hergestellte CO ionisiert selbst in der durch die Mikrowellen stimulierten Umgebung, um das vorherrschende Stickstoffplasma mit hochenergetischen, reduzierenden CO+-Ionen anzureichern. In der Reaktionskammerumgebung ist das Plasma, welches die Füllung der Ausgangsstoffe bei den höheren reduzierenden „Temperaturen" umhüllt, entsprechend hauptsächlich aus N2- und CO-Spezies zusammengesetzt. Das Plasma schützt die Füllung vor möglichen Oxidationsreaktionen bis zu den Endpunkten des Plasmas, wobei eine Decke aus hochenergetischen reduzierenden Ionen über der Füllung aufrechterhalten wird, was ein außerordentlich reduzierendes Milieu bereitstellt. Ein derartiger Schutz wird durch die Beschaffenheit des Plasmas und insbesondere durch Nichtgleichgewichts-Plasmen bereitgestellt, deren „chemischer Schwerpunkt" es ist, Bindungen in einer Art und Weise analog zu den chemischen Reduktionsreaktionen zu brechen (das heißt, im Gegensatz zu chemischen Oxidationsreaktionen, wo Bindungen vervollständigt werden).The CO produced by these reactions ionizes even in the microwave-stimulated environment to enrich the predominant nitrogen plasma with high-energy, reducing CO + ions. In the reaction chamber environment, the plasma that envelops the charge of the reactants at the higher reducing "temperatures" is composed mainly of N 2 and CO species, which protects the charge from possible oxidation reactions up to the endpoints of the plasma Ceiling of high energy reducing ions is maintained over the fill providing an extremely reducing environment Such protection is provided by the nature of the plasma and, in particular, non-equilibrium plasmas whose "chemical focus" is to analogize bonds in a manner to break down the chemical reduction reactions (that is, unlike chemical oxidation reactions where bonds are completed).
Die Veränderung in der Plasmachemie mit der Erzeugung von CO+-Ionen konnte zusehends als eine Verschiebung in der charakteristischen Emissionsfarbe von dem Plasma beobachtet werden und hörbar festgestellt werden durch eine verbundene Verschiebung in der Leistung, die an den Magnetfeldröhren gezogen wurde, wenn eine Plasmaanregung oder Schrittsteigerung vorliegt.The change in the plasma chemistry with the generation of CO + ions could be visually observed as a shift in the characteristic emission color from the plasma and audibly detected by an associated shift in the power drawn on the magnetic field tubes when plasma excitation or Step increase is present.
Das
in den Grund-, Anregungs-, Ionisierungs- und Rekombinationszuständen verfügbare CO
wird zu einem wirkungsvollen Reduktionsmittel, welches den Kohlenstoff
zu der Reaktionsgrenzfläche
mit den Chromit-Partikeln
transportiert, was eine gasförmige
Phasenreduktion von dem Chromit aktiviert. In diesem Stadium erhöhen sich
die Reduktionsgeschwindigkeiten auf ein Maximum. Die Ionisierung
von dem CO und die ionisierte Gasphasenreduktion von dem Chromit
kann durch die nachfolgenden Gleichungen 3(f) und 3(g) wiedergegeben
werden:
Wie
vorangehend diskutiert, tendiert das produzierte CO2 bei
den höheren
Plasma-„Temperaturen", die in diesem Stadium
beobachtet werden, zu CO (gemäß Gleichung
3(e)). Die nachfolgende Fest- und Gasphasenreduktion von dem Wustit-(FeO)Produkt
analog zu den Gleichungen 3(b) und 3(g) zu metallischem Eisen kann
durch die nachstehenden Gleichungen 3(h) und 3(i) wiedergegeben
werden:
Wenn
es erwünscht
ist, können
andere anfängliche
Reduktionsmittelgase (typischerweise CO) vor dem Ent leeren in die
Reaktionskammer
Die
heißen
Gase, einschließlich
der Reaktionsnebenprodukte CO und CO2, zuzüglich geringfügiger Gase
oder Spurengase, Staub und Rauch wurden während des Prozesses über einen
Dunstabzug
Während des
Reduktionsprozesses floss das metallische Reduktionsprodukt, das
in dem flüssigen
Stadium als flüssige
Metallkügelchen
vorliegt, und wenn die einzelnen Kügelchen in der Größe zunahmen
und die Oberflächenspannung überwunden war,
als flüssige
metallische Phase zu dem Boden von dem Schmelztiegel
Die
Reaktionskammer
Um
die Oxidation von den metallischen Produkten während des Abkühlens zu
vermeiden, wenn die Temperatur innerhalb des Schmelztiegels unterhalb
von dem CO-Stabilitätspunkt
von annähernd 950°C fällt, bei
dem das CO zu dem oxidierenden Gas CO2 oxidieren
würde,
kann ein nicht-oxidierendes oder Inertgas in die Reaktionskammer
durch den Hauptgaseinlass
BEISPIEL 4EXAMPLE 4
Dieses
Beispiel beschreibt ausführlich
einen Prozess zur Reduktion von Cassiterit-(Zinnstein; SnO2)Konzentrat zur Extraktion von metallischem Zinn
als Produkt. Anstatt den Reduktionsprozess in einem festen Schmelztiegel
innerhalb eines statischen Gefäßes oder
eines modifizierten Mikrowellenofens wie in den Beispielen 1 bis
3 durchzuführen, wurde
in diesem Beispiel der Reduktionsprozess in einem Wirbelschicht-Reaktor
unter Verwendung eines Kohlenmonoxid/Stickstoff-Plasmas durchgeführt. Die
Konfiguration des Wirbelschicht-Reaktors ist
in den
Der Prozess wurde bei „Atmosphären"-Druck hoch in dem Bett bis zu höheren Drücken unter Pressluftähnlichen Bedingungen an der Verwirbelungsplatte (zwischen 200 kPa und 300 kPa) durchgeführt, wo die anfängliche Reduktionsaufarbeitung über eine angelegte Mikrowellenenergie, welche durch den Wellenleiter des Reaktorbodens zugeführt wird, durchgeführt werden kann. Der Druckabfall durch die Wirbelschicht wird durch die Verwirbelungsdynamik von der Reaktionskammer und verschiedenen Parametern von dem Bett abhängt, das selbst verwirbelt wird, einschließlich der Betthöhe, der Partikeldichte, der Partikelform und dem Größenbereich. Ein Nichtgleichgewichts-Plasma wurde entlang der vollständigen Höhe von der Reaktionskammersäule mittels der Unterstützung von zusätzlichen Wellenleitern längs der Länge von der Reaktionskammer gehalten, wobei deren Anwendung von der Mineraliendichte, der Empfänglichkeit der Füllung für die Mikrowellenbestrahlung und der angelegten Leistung abhängen wird. Mit dem Druckabfall durch die Wirbelschicht wurde das Nichtgleichgewichts-Plasma stabiler in Richtung der Spitze von der Reaktionskammer.Of the Process was high in the "atmospheres" pressure Bed up to higher Press under Pneumatic-like Conditions on the swirl plate (between 200 kPa and 300 kPa), where the initial Reduction workup via an applied microwave energy passing through the waveguide fed to the reactor bottom is carried out can be. The pressure drop through the fluidized bed is through the turbulence dynamics of the reaction chamber and different Parameters depends on the bed, which is itself swirling, including the bed height, the Particle density, particle shape and size range. A non-equilibrium plasma was along the full Height of the reaction chamber column with the support of additional Waveguides along the length held by the reaction chamber, wherein the application of the Mineral density, the susceptibility of filling for the Microwave irradiation and the applied power will depend. With the pressure drop through the fluidized bed, the nonequilibrium plasma became more stable Direction of the top of the reaction chamber.
Das augenblickliche Beispiel führte die Reduktionsaufarbeitung von einem Cassiterit-Konzentrat "niedriger Qualität" durch, das ungefähr 60% Sn enthielt. Bei Anwendung von traditionellen Reduktionstechniken für Sn waren, bei Verwendung von Flammofen-Schmelztiegeln, Qualitäten unterhalb von 65% Sn nicht erwünscht, da es ökonomisch nicht durchführbar ist, Zinnprodukte zu prozessieren, die ein Verhältnis von dem „Härtling" (Eisen/Zinn-Phase) zu dem zurückgewonnenen Zinn aufweisen, das zu hoch ist. Wenn das Eisen leicht reduziert wird, und das Zinn die Eisen/Zinn-Härtlingphase erstellt, oder das Eisen in dem Anfänglichen Konzentrat hoch ist, sind die traditionellen Reduktionstechniken normalerweise aufgrund der überzogenen Kosten für das Extrahieren von dem Zinn aus der Eisen/Zinn-Härtlingphase kaufmännisch unhaltbar.The instantaneous example led the reduction work-up of a "low quality" cassiterite concentrate containing approximately 60% Sn. When using traditional reduction techniques for Sn, when using furnace crucibles, qualities below 65% Sn not wanted as it is economical not feasible is to process tin products that have a ratio of the "hardener" (iron / tin phase) to the recovered Have tin that is too high. When the iron is slightly reduced and the tin creates the iron / tin hardening phase, or Iron in the beginning Concentrate is high, are the traditional reduction techniques usually due to the overdrawn costs for extracting the tin from the iron / tin hardening phase commercial untenable.
Die Leichtigkeit der Reduktion von den Cassiterit-Konzentraten erhöht sich mit steigendem Zinngehalt von den Konzentraten mit niedriger Qualität zu den Konzentraten mit hoher Qualität, wobei für die Konzentrate mit höherer Qualität gefunden wurde, dass sie empfänglicher sind für Mikrowellenbestrahlung als die Konzentrate mit niedrigerer Qualität.The Ease of reduction of the cassiterite concentrates increases with increasing tin content from the low quality concentrates to the high concentrates Quality, being for the concentrates with higher quality was found to be more receptive are for Microwave irradiation as the lower quality concentrates.
Die Wirbelschichtreaktoren sind normalerweise so konstruiert, dass sie fortlaufende Bearbeitungsprozesse durchführen, der vorliegende Prozess wurde jedoch in einem Wirbelschichtreaktor durchgeführt, der als Batch-Prozessreaktor konfiguriert und betrieben wurde, um eine engere Kontrolle über die Prozessierungszeiten von dem Cassiterit innerhalb der Reaktionskammer zu ermöglichen. Eine derartige enge Kontrolle ist erwünscht, wenn Cassiterit bearbeitet wird, um eine zu aufwendige Bearbeitung von der Cassiterit-Füllung zu vermeiden, was nachteilig für spätere Bearbeitungsschritte wäre. Wenn jedoch eine geringere Kontrolle für die Reduktionsbelastung durch die angewandte elektromagnetische Bestrahlung benötigt wird, wird der kontinuierliche Wirbelschichtprozess bevorzugt.The fluidized bed reactors are normally designed to perform continuous processing, but the present process was performed in a fluidized bed reactor configured and operated as a batch process reactor to allow closer control over the processing times of the cassiterite within the reaction chamber. Such close control is desirable when processing cassiterite to avoid over-processing of the cassiterite filling, which would be detrimental to later processing steps. However, if a smaller control for the reduction load by the applied electromagnetic Irradiation is required, the continuous fluidized bed process is preferred.
Wenn der Plasmaprozess von dem gegenwärtigen Beispiel entweder in Batch- oder kontinuierlichen Wirbelschichtsystemen verwendet wird, wird die gleichzeitige Reduktion von Gangartmaterialien innerhalb des Erzes, insbesondere bei eisenhaltigen Mineralien, vermieden. Dies vermeidet infolgedessen die Bildung von kontaminierenden Phasen (insbesondere von Härtling, FeSn2) innerhalb des Reduktionsproduktes und der daran hängenden restriktiven Kostennachteile des Reprozessierens derartiger Nebenprodukte in nachfolgenden Prozessen.When the plasma process of the present example is used in either batch or continuous fluidized bed systems, the simultaneous reduction of gangue materials within the ore, particularly ferrous minerals, is avoided. As a result, this avoids the formation of contaminating phases (especially hardener, FeSn 2 ) within the reduction product and the associated restrictive cost disadvantages of reprocessing such by-products in subsequent processes.
Der
Wirbelschichtreaktor
Eine
Zuführungsöffnung
Eine
durchlöcherte
Verwirbelungsplatte
Ein
Abgasauslass
Ein
Ablaufblech
Decken-
und Bodenwellenleiter
In
dem Prozess von dem vorliegenden Beispiel wurde zuerst das Cassiterit-Konzentrat
in partikulärer
Form mit einer Korngröße von weniger
als 500 Mikrometer und in Chargen mit nahe beieinander liegenden
Größenbereichen
(+/– 5%
im Korndurchmesser) hergestellt, welche anschließend zum Beschicken der Reaktionskammer
Vorgewärmte Luft
wurde dann über
den Luftkasten
Während die
Reaktionskammer
Dieses
Verwirbelungsregime wurde derart etabliert, dass die Wirbelschicht
ausreichend stabil war und dielektrisch inkohärent, um eine Durchdringung
der Mikrowellenbestrahlung von den verschiedenen Wellenleitern
Um
ein derartiges Verwirbelungsregime, welches stabil ist und die Durchdringung
von der Strahlung ermöglicht,
zu etablieren und zu halten, sollte der verwirbelnde Gasstrom durch
die Verwirbelungsplatte
Der Prozessdruckbereich, von dem der Verwirbelungsdruck an der Verwirbelungsplatte der höchste sein wird, sollte unterhalb von 300 kPa gehalten werden, um das Plasma innerhalb des thermodynamischen Nichtgleichgewichts-Regimes zu halten, womit die Prozessierungsvorteile der außerordentlich energiereichen reaktiven Partikel maximiert wird, insbesondere von solchen Partikeln, welche eine unmittelbare Funktion in der Plasmareduktionschemie einnehmen.Of the Process pressure range from which the swirl pressure at the swirl plate the highest should be kept below 300 kPa to the Plasma within the thermodynamic nonequilibrium regime to keep, with which the processing advantages of the extraordinary high-energy reactive particles is maximized, in particular of such particles, which have an immediate function in plasma reduction chemistry taking.
Die Reaktionskammer wurde anschließend mit der Mikrowellenstrahlung bei einer Frequenz von 2.450 MHz über die Wellenleiter bestrahlt und die Leistung angepasst, bis ein stabiles Nichtgleichgewichtsplasma aus Stickstoff/Kohlenmonoxid bis zur vollständigen Befüllungshöhe mit vorherrschend reaktiven CO+-Ionen gebildet wurde. Für die gebräuchliche Mikrowellenfrequenz von 2.450 MHz, welche für dieses und andere beschriebene Beispiele verwendet wurde, ist gefunden worden, dass sie außerordentlich für diese Anwendungen geeignet ist und wurde daher hauptsächlich der Einfachheit halber verwendet. Von anderen Frequenzen innerhalb des Bereiches von 30 MHz bis 300 GHz, ist für Radiofrequenzen, obgleich sie Mikrowellen sind und Frequenzen in der „Millimeter-Wellenlänge" aufweisen, jedoch gefunden worden, dass sie verschieden gut für die Erzeugung von Nichtgleichgewichtsplasmen geeignet sind, ausgetestet an einem ausgekoppelten Bereich von Empfänglichkeiten für Zielmineralien.The reaction chamber was then irradiated with the microwave radiation at a frequency of 2,450 MHz via the waveguides and the power adjusted until a stable nitrogen / carbon monoxide non-equilibrium plasma was formed to the full charge level with predominantly reactive CO + ions. The common microwave frequency of 2450 MHz used for this and other examples described has been found to be extremely suitable for these applications and has therefore been used primarily for the sake of simplicity. Of other frequencies within the range of 30 MHz to 300 GHz, radio frequencies, although microwaves and having frequencies in the "millimeter wavelength", have been found to be equally well suited for the generation of nonequilibrium plasmas a decoupled range of susceptibilities to target minerals.
Das
verwirbelte Cassiterit wurde durch das gasförmige CO in den verschiedenen
Zuständen (Grundzustand,
angeregt und ionisiert) unter Bildung von Sn und CO2 reduziert.
Die Reduktion in der Plasmaphase kann durch die nachstehende Gleichung 4(a)
wo * ein/eine nicht im Grundzustand befindliche(s) rekombinierte(s)
Partikel oder Spezies darstellt) wiedergegeben werden:
Sobald
die Plasmachemie stabilisiert war, wurde feiner Kohlenstoff durch
den Frischgaseinlass
Die Boudouard-Reaktion ist endotherm und dementsprechend sollte sie nur eingesetzt werden, wenn die „Temperatur"-Mäßigung angemessen ist. Diese Reaktion wird ebenfalls nur wirksam bei Temperaturen oberhalb von etwa 940°C ablaufen. Wo, als Ergebnis aus dem oben gesagten, die Boudouard-Reaktion nicht vertretbar ist, kann CH4 sowohl als Reduktionsmittel (sowohl unmittelbar als Methan oder indirekt bei Temperaturen oberhalb derer Methan zu Kohlenstoff und Wasserstoff zerfällt), zur Reduktion von dem Cassiteriterz als auch zur Regeneration von CO für weitere Reduktionen verwendet werden. Alternativ kann CH4 sowohl für die Regeneration von CO durch Reduktion von CO2 während des Prozesses als auch als teilweiser oder vollständiger Ersatz von CO in die anfängliche Eingangsgas-Mischung als anfängliches Reduktionsmittel für die Reduktion von dem Cassiterit verwendet werden. Während CH4 selbst nicht ionisiert, eine Dissoziation (Zerfall) bei Temperaturen unterhalb von 500°C in dem Mikrowellenfeld, bevor es seine Ionisierungsenergie erreicht, bildet das dabei entstehende Wasserstoffgas ein Plasma, wie es das anfängliche Reduktionsprodukt CO, sobald es produziert wird, auch macht, und wirkt dabei als ein Reduktionsmittel für die nachfolgende Reduktion in der Plasmaphase. Ferner wird ein feiner Kohlenstoffruß als Nebenprodukt von dem Methanzerfall gebildet, welcher für die Regeneration von CO ideal ist. Demzufolge wird, selbst wenn CO nicht als anfängliches Eingangsgas verwendet wird, es bald als ein Reduktionsnebenprodukt gebildet und/oder durch die Boudouard-Reaktion, wobei CO2 bei hohen Temperaturen abgebaut wird. Die Zugabe von Methan zu dem verwirbelnden Gas kann ebenfalls verwendet werden, die Zugabe von festen Kohlenstoffanteilen zu dem verwirbelnden Gas zu ersetzen, um, wie oben diskutiert, die CO-regenerierende Boudouard-Reaktion 4(b) zu ermöglichen.The Boudouard reaction is endothermic and accordingly it should only be used if the "temperature" moderation is adequate, and this reaction will only be effective at temperatures above about 940 ° C. Where, as a result of the above, the Boudouard reaction is unreasonable, CH 4 can be used both as a reducing agent (both directly as methane or indirectly at temperatures above which methane to carbon and hydrogen decomposes), for the reduction of cassiterite and for the regeneration of CO for further reductions CH 4 can be used both for regeneration of CO by reduction of CO2 during the process and as a partial or complete replacement of CO in the initial input gas mixture as initial reductant for the reduction of the cassiterite. while CH 4 itself not ionized , a dissociation (decay) at temperatures below 500 ° C in In the microwave field, before it reaches its ionization energy, the resulting hydrogen gas forms a plasma, as does the initial reduction product CO, once it is produced, thereby acting as a reducing agent for subsequent reduction in the plasma phase. Further, a fine carbon soot is formed as a by-product from the methane decomposition, which is ideal for the regeneration of CO. As a result, even if CO is not used as the initial input gas, it is soon formed as a reduction by-product and / or by the Boudouard reaction, degrading CO 2 at high temperatures. The addition of methane to the fluidizing gas may also be used to replace the addition of solid carbon moieties to the fluidizing gas to allow the CO-regenerating Boudouard reaction 4 (b), as discussed above.
Bei den niedrigeren Energie- oder „Temperatur"-Bereichen der Nichtgleichgewichtsplasmen, ist Wasserstoff ein weniger wirkungsvolles Reduktionsmittel als Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid. Weiter entnimmt die Boudouard-Reaktion, welche endotherm ist, Energie aus dem System, wenn sie CO liefert. Dementsprechend ist es, wenn CH4 als anfängliches Eingangsgas ausgewählt wird, eine niedrigere thermodynamische Energievariante unter deren niedrigeren Energiebedingungen die "Spurenelemente", wie beispielsweise Fe, Mn, W und Si, welche möglicherweise in der Füllung der Ausgangsstoffe aus Erz enthalten sind, eine geringere Wahrscheinlichkeit aufweisen, mit der gleichen Leichtigkeit wie Cassiterit reduziert zu werden, was ein reineres Reduktionsprodukt liefert.At the lower energy or "temperature" ranges of non-equilibrium plasmas, hydrogen is a less effective reductant than carbon or carbon monoxide, and the Boudouard reaction, which is endothermic, removes energy from the system when it delivers CO. Accordingly, it When CH 4 is selected as the initial input gas, a lower thermodynamic energy variant under its lower energy conditions, the "trace elements", such as Fe, Mn, W, and Si, possibly contained in the charge of the source of ore, are less likely to be present the same ease as cassiterite, yielding a purer reduction product.
Darüber hinaus
führt die
Verwendung von CH4 ein weiteres Gas in das
System ein, was in einer komplexeren Mischung der Abzugsgase resultiert, die
eine Bearbeitung und Trennung benötigen. Die chemischen Reaktionen,
die mit der Einführung
von CH4 verbunden sind, können durch
die nachstehenden Gleichungen 4(c) bis 4(g), zuzüglich der Boudouard-Gleichung
4(b), wiedergegeben werden:
Zusätzliche
chemische Reaktionen, die bezüglich
der Komponenten der Gasmischung in der Atmosphäre der Reaktionskammer (mit
dem Zusatz von Methan) von Bedeutung sind, können durch die Gleichungen
4(h) und 4(i) wiedergegeben werden:
Diese
Reaktionen sind ebenfalls für
die Regula tion der Abzugsgase, der Minimierung von negativen Umwelteinflüssen und
der Rückgewinnung
von Prozess-Nebenprodukten
als wertvolle Materialen von Bedeutung. Diese Reaktionen finden
in der Reaktionskammer statt und können, wenn es gewünscht wird,
in einer Intensivkammer von dem Abgasauslass
Während des
Aufarbeitens werden Abzugsgase durch den Abgasauslass
Die Reduktion von dem Cassiterit produziert Zinn (wie in Gleichung 4(a) angedeutet) in der Form von flüssigen Mikrokügelchen, welch sich innerhalb der Cassiterit-Partikel und an der Partikeloberfläche bilden, wo sie durch die innewohnende hohe Oberflächenspannung von dem flüssigen Zinn zuzüglich eines Films aus Material mit höherem Schmelzpunkt, das durch Refusionierung oder als Nebenprodukt der Reduktion von Gangartmineralien entstanden ist, festgehalten werden.The Reduction of the cassiterite produces tin (as in Equation 4 (a) indicated) in the form of liquid Microspheres which form within the cassiterite particles and on the particle surface, where by the inherent high surface tension of the liquid tin plus a film of material with higher Melting point by refusion or by-product of the reduction of gangue minerals.
Bei
einem Bearbeitungspunkt, der über
die Erfahrung und einen analysierten Mittelwert von den angesammelten
Daten (Ladung vs. Zeit vs. eingesetzte Energie) unter Bezug auf
den Grad der Reduktion von allen vorherigen Prozess-Chargen bestimmt ist,
wird die Mikrowellenbestrahlung von der Reaktionskammer
Der metallische Zinngehalt kann anschließend aus den gelöschten Festanteilen durch einen geeigneten elektrochemischen oder anderen Rückgewinnungsprozess erhalten werden. Nach der Rückgewinnung von dem hochreinen Zinn, kann zurückgebliebenes, unvollständig reduziertes Cassiterit oder anderes partikuläres Mineralienmaterial getrocknet und zur Wiederbearbeitung durch den Wirbelschichtreaktor in eine nachfolgende Füllungsmischung zurückgegeben werden. Irgendwelche anderen Feinanteile, die von dem Zinn-Rückgewinnungsprozess verbleiben, können weiteren Extraktionsprozessen unterworfen werden, um jeden verbliebenen hochwertigen Metallbestandteil (oder toxischen Bestandteil, der Abtrennung und Entsorgung benötigt), der Metalle wie Au, Ag, Th, Seltene Erdmetalle (RE's), Ta, W oder Bi einschließt, zu extrahieren.Of the Metallic tin content can then be removed from the quenched solids by a suitable electrochemical or other recovery process to be obtained. After the recovery from the highly pure tin, can be left behind, incompletely reduced Cassiterite or other particulate Mineral material dried and reworked by the Fluidized bed reactor returned to a subsequent filling mixture become. Any other fines derived from the tin recovery process can remain be subjected to further extraction processes to any remaining high quality Metal component (or toxic component, separation and Disposal required), the Metals such as Au, Ag, Th, rare earth metals (RE's), Ta, W or Bi include.
BEISPIEL 5EXAMPLE 5
In der extraktiven Reduktion von vergleichbaren Metallsulfiden von der Form MS2, kann das „erste" Schwefelatom durch Reduktion mit relativer Leichtigkeit entfernt werden, um die Rohsteinform MS zu ergeben. Typischerweise werden, in einem zweiten Reduktionsschritt, intensivere pyrometallurgische Prozesse zur Entfernung von dem verbliebenen Schwefel benötigt, um das primäre Metall herzustellen.In the extractive reduction of comparable metal sulfides of the form MS 2 , the "first" sulfur atom can be removed by reduction with relative ease to give the rough stone form MS Typically, in a second reduction step, more intense pyrometallurgical processes for removal of the remaining Sulfur is needed to make the primary metal.
Dieses
Beispiel beschreibt ausführlich
einen Prozess zur Reduktion von einem Molybdänit-(MoS2-) Erzkonzentrat
in festem Zustand, der einen rohen Molybdän-Metallschwamm ergibt – offensichtlich „gesintert" durch Phasen mit
niedrigerem Schmelzpunkt (Gangart- und Verunreinigungsmetalle).
Die Reduktion zum Metall wurde in einem kontinuierlichen Einstufen-Prozess
erreicht, in dem die Pneumatik von einem Wirbelschichtreaktor mit Pfropfströmung verwendet
wurde, um die zur Anwendung gebrachte elektromagnetische Energie
abzumildern und auszugleichen und Reaktionen mit einer einheitlichen
Verteilung der Energie durch die absteigende Säule des Füllmaterials gleichförmig zu
stimulieren. Die Vorrichtung, die für die Ausführung von dem Prozess verwendet
wurde, ist in
Der
verwendete Wirbelschichtreaktor mit Pfropfströmung
In
dem vorliegenden Beispiel wurde das Molybdänit-Erzkonzentrat in einer
partikulären
Form mit einer Korngröße von weniger
als 200 Mikrometer her gestellt und mit einem festen Reduktionsmittel
in der Form von granulierter Aktivkohle in einem Größenbereich
von 100 bis 1200 Mikrometer mit dem stöchiometrischen Verhältnis von
2:1 C:S vermischt. Die Auswahl von der granulierten Aktivkohle in
diesem höheren
Größenbereich
zwangsweise eingeführt,
um eine bessere Durchlässigkeit
von dem Bett angesichts der plattenartigen Morphologie von Molybdänit bereitzustellen.
Die Füllung
mit dem Molybdänit/Aktivkohl-Gemisch
wurde anschließend
als Vorbereitung für
das Beschicken von der Reaktionskammer
Zu
Beginn von dem kontinuierlichen Prozess wurde vorgewärmte Luft
durch die Reaktionskammer
Während die
Reaktionskammer mit der CO/Luft-Mischung
bei einem niedrigen Gebläsedruck derart
gespült
wurde, dass die festen Feinanteile nicht mitgerissen und mit den
Abzugsgasen abgesaugt wurden, wurde die vorgewärmte Füllung von dem Molybdänit/Aktivkohl-Gemisch
in die Reaktionskammer
Der Druck oben in der Reaktionskammer (Druck oberhalb der Fülllinie des Bettes) sollte so nahe wie möglich bei einer Atmosphäre liegen (angesichts des Druckabfalls durch das Bett von den Druck am Boden, der benötigt wird, das Verwirbelungs-Regime zu halten), was es ermöglicht, dass der Verwirbelungsdruck am Boden von der Reaktionskammer unterhalb von dem bevorzugten Limit von 300 kPa gehalten werden kann.Of the Pressure at the top of the reaction chamber (pressure above the filling line of the bed) should be as close as possible in an atmosphere lie in the face of the pressure drop across the bed from the pressure at Soil that needed will keep the vortex regime), which makes it possible that the swirling pressure at the bottom of the reaction chamber below of the preferred limit of 300 kPa.
Obgleich
kurze elektromagnetische Wellenlängenfrequenzen
in Bereichen oberhalb von 12 GHz hätten bevorzugt werden können, als
Ergebnis der erhöhten
Empfindlichkeit von Molybdänit
bei diesen Frequenzen, angezeigt durch Ergebnisse der Analyse der
Mineralien-Empfindlichkeit
vs. Bestrahlungsfrequenz, wurde die Bestrahlung bei der gebräuchlichen
Frequenz von 2.450 MHz aus Gründen
der Verfügbarkeit
und der Einfachheit verwendet (und als für diesen Zweck angemessen gefunden).
Sobald die Füllung
in der Reaktionskammer
Während die exakte Reduktionsroute, die erreicht wird, nicht einfach ist, hatte die Zugabe von kleinen Mengen an Calciumoxid (CaO) zu der Füllungsmischung der Ausgangsstoffe oder von getrockneten Pellets aus pelletisierter Molybdänit/Calciumoxid/braune Aktivkohle-Paste mit engem Größenbereich, hier 1,5 mm ± 0,1 mm bis 3,0 mm ± 0,2 mm, welche ideal für die Bettdurchlässigkeit und die Reduktionschemie mit gesteigerten Kinetiken waren, eine fördernde Wirkung auf die Reaktionskinetiken und die Vollständigkeit der Reaktion.While the exact reduction route that is achieved is not easy had the addition of small amounts of calcium oxide (CaO) to the filling mixture raw materials or pellets of dried pellets Molybdenite / calcium / brown Activated charcoal paste with a narrow size range, here 1.5 mm ± 0.1 mm to 3.0 mm ± 0.2 mm, which is ideal for the bed permeability and the reduction chemistries with enhanced kinetics were one promotional Effect on the reaction kinetics and the completeness the reaction.
Herausragende
Reduktionsreaktionen, von denen verstanden wird, dass sie während der
Bearbeitung vorkommen sind (ohne Ionisationsäquivalente) in den Gleichungen
5(a) bis 5(d) wiedergegeben: Die Gleichung 5(a) gibt die anfängliche
Ablösung
von dem ersten Schwefelatom aus MoS2 wieder
und die nachfolgende Reduktion zu dem elementaren Molybdän wird durch
die Gleichung 5(b) wiedergegeben:
Die
Gleichungen 5(d) und 5(e) geben die alternative Route wieder, wenn
Calciumoxid hinzugefügt
worden ist:
Sobald sich die Plasmachemie stabilisiert hat, kann feiner Kohlenstoff mit dem verwirbelnden Gasgemisch derart eingespeist werden, dass, wo es benötigt wird, CO sich aus O2 und CO2 (erzeugt während der Reduktion) mit dem Kohlenstoff hoch in der Reaktionskammer regeneriert, um den Schutz von einer reduzierenden Atmosphäre in einer ähnlichen Art und Weise wie in Beispiel 4 zu gewähren. Wie in Bezug zu Beispiel 4 diskutiert, ist die CO2-Reduktion, die Boudouard-Reaktion, endotherm und das Gleichgewicht der Reaktionen in dem Reaktor kann derart manipuliert werden, dass "Temperatur"-Profile des Reaktors gehalten werden können, wie es der Fall in dem früheren Beispiel war.Once the plasma chemistry has stabilized, fine carbon can be fed to the fluidizing gas mixture such that, where needed, CO is regenerated from O 2 and CO 2 (generated during reduction) with the carbon high in the reaction chamber to produce the To provide protection from a reducing atmosphere in a similar manner as in Example 4. As discussed in relation to Example 4, the CO 2 reduction, the Boudouard reaction, is endothermic and the equilibrium of the reactions in the reactor can be manipulated so that "temperature" profiles of the reactor can be maintained as the case may be in the earlier example.
Ebenfalls
kann in einer ähnlichen
Art und Weise wie in Beispiel 4, CH4 sowohl
zum Regenerieren von CO als auch zum Bereitstellen von einem extra
Kontrollmechanismus (zusätzlich
zu der Kontrolle von der angewandten elektromagnetischen Strahlung)
durch Ausgleichen der chemischen Energie, die durch die exothermen
Reaktionen freigesetzt wurde, und derjenigen, die durch endotherme
Reaktionen innerhalb der Reaktionskammer absorbiert wurde, eingeführt werden.
Die verschiedenen Reaktionen, die aus der Zugabe von CH4 resultieren,
sind diejenigen von den Gleichungen 4(c), 4(b), 4(f), 4(h) und 4(i),
die im Bezug zu Beispiel 4 diskutiert wurden. Es sollte beachtet
werden, dass, während
der Wasserstoff seine Wirksamkeit als Reduktionsmittel bei den höheren Prozesstemperaturen
von dem vorliegenden Prozess steigert, verdrängt es Kohlenmonoxid in seiner
Reduktionswirksamkeit nicht in den Hintergrund, wenn nicht vie höhere Temperaturen
(oberhalb von 2.000°C)
erreicht werden. Darüber
hinaus wird die Dissoziation von Methan bei der Bereitstellung von
aktivem Wasserstoff in der Produktion von Schwefelwasserstoff-(H2S-)Gas resultieren, was normalerweise eine
weniger wünschenswerte
Abgasoption ist. Die zusätzlichen
Reduktionsreaktionen, die aus der Erzeugung von Wasserstoffionen
durch die Zugabe von Methan resultieren, können durch die Gleichungen
5(f) und 5(g) wiedergegeben werden:
An
dem Boden von der Reaktionskammer
Das
abgelassene Material trat in die Löschkammer
Da
das Produkt kontinuierlich aus der Wirbelschicht-Reaktionskammer
(Säule)
BEISPIEL 6EXAMPLE 6
Dieses
Beispiel beschreibt ausführlich
einen Prozess zur Reduktion von Hämatit (Fe2O3) unter Verwendung von einem Fördergerät, um das
Füllungsmaterial
der Ausgangsstoffe durch eine Reaktionskammer bei Atmosphärendruck
in einem kontinuierlichen Prozess hindurchzuleiten. Die Vorrichtung, als
kontinuierlich förderergespeister
Reaktor bezeichnet, die für
die Ausführung
von dem Prozess verwendet wurde, ist in
Feines Hämatit wurde mit einem Reduktionsmittel in der Form von feiner brauner Aktivkohle vermischt und die Mischung unter Verwendung einer braunen Aktivkohleaufschlämmung in eine Paste eingebunden, was in einem Fe:C-Verhältnis von ungefähr 2:3 resultierte. Die Paste wurde zu Pellets von annähernd 3 mm Durchmesser agglomeriert und diese getrocknet, bis sie hart waren.fine hematite was treated with a reducing agent in the form of fine brown Activated carbon mixed and the mixture using a brown Aktivkohleaufschlämmung embedded in a paste, resulting in a Fe: C ratio of approximately 2: 3 resulted. The paste became pellets of approximately 3 mm diameter and agglomerated until hard.
Die
getrockneten Pellets
Die
Pellets
Die
getrockneten Pellets
Die
Reduktion von Hämatit
zu elementarem Eisen findet durch eine Serie von Reduktionsreaktionen
statt, die durch die nachstehenden Gleichungen 6(a) bis 6(g) (ohne
Ionisations-Äquivalente),
dem allgemeinen Systemdruck und der allgemeinen Systemtemperatur
und unter Bezug auf die lokale Ionisierungsumgebung von der Plasmazone,
dem Reaktionsweg, der von der für
die Aktivierung verfügbaren Energie
abhängig
ist, und dem Reaktionsmechanismus, ob Festphasen- oder Gasphasen-Reaktion, wiedergegeben
werden kann:
Die
Abzugsgase, die von den Reaktionen produziert werden, werden durch
den Abgasauslass
Das
CO-Plasma wird von der Position her in dem Zentrum von der Reaktionskammer
als Ergebnis der Lokalisation von dem heißen Luftstromeinlass
BEISPIEL 7EXAMPLE 7
Dieses
Beispiel beschreibt ausführlich
einen weiteren Prozess zur Reduktion von Hämatit zu Eisen unter Anwendung
einer Drehofen-Vorrichtung, wobei dieselbe grundlegende Präparation
und Chemie wie in Beispiel 6 verwendet wurde. Die Vorrichtung, die
für die
Ausführung
von dem Prozess verwendet wurde, ist in
Hämatit/Kohlenstoff-Pellets
Die
28-Liter Reaktionskammer
Die
Mikrowellenstrahlung wurde abgemildert, um ein Schmelzen von der
Füllung
der Ausgangsstoffe zu verhindern, nachgewiesen und überwacht
durch die Inspektion von dem Reduktionsprodukt-Ablauf, welcher aus
der Reaktionskammer
BEISPIEL 8EXAMPLE 8
Dieses
Beispiel beschreibt ausführlich
einen Prozess zur Reduktion von Hämatit (Fe2O3) zu einem Eisen-(Fe)Produkt mit niedrigem
Kohlenstoffanteil unter Anwendung einer im Wesentlichen auf der Technik
der so genannten Festphasen-Reduktion der Aufnahme im Flug („solid
state reduction technique of in-flight entrainment") von feinem partikelförmigen Füllmaterial
in einen Zyklonreaktor. Die Vorrichtung, die für die Ausführung von dem Prozess in diesem Beispiel
verwendet wurde, ist in den
Zuerst wurde Hämatit in einer partikelförmigen Form durch Mahlen zu einer Korngröße von weniger als 20 Mikrometer hergestellt und innig mit feiner brauner Aktivkohle gemischt, die auf eine Korngröße von weniger als 100 Mikrometer gemahlen war.First became hematite in a particulate Form by milling to a particle size of less than 20 microns prepared and intimately mixed with fine brown activated carbon, the to a grain size of less was ground as 100 microns.
Die
Ausgangsstoffmischung aus Hämatit/Aktivkohle
wurde anschließend
mit einem Gebläseluftstrom,
der auf über
400°C vorgewärmt war,
durch einen Zykloneinlass
Die
Gebläseluft
und die eingeblasene Füllung
der Ausgangsstoffe wurden mit Mikrowellenstrahlung bei einer Frequenz
von 2.450 MHz über
einen Hauptwellenleiter
Die
Ausgangsstofffüllung
und die Luft wurden ferner bei weiteren Hauptmikrowellenleitern
Während die Frequenz von 2.450 MHz, die in dem vorliegenden Beispiel verwendet wurde, sich als wirksam und effizient in dem vorliegenen Beispiel erwies, wurde für Frequenzen oberhalb von 12 GHz gefunden, dass sie für diese spezifische Anwendung vorzuziehen sind.While the Frequency of 2,450 MHz used in the present example was found to be effective and efficient in the present example proved was for Frequencies above 12 GHz found that they are for this specific application are preferable.
In
dem Milieu des Nichtgleichgewichts-N2/CO-Plasmas in Richtung
zur Spitze von der Reaktionskammer wurde das Hämatit zu Magnetit, Fe3O4, unter Verwendung
der außerordentlich
energiereichen reaktiven CO+-Ionen für die hauptsächliche
Reduktionsstimulation reduziert. Das Magnetit wurde nachfolgend
zu der thermodynamisch stabilsten Eisenoxid-Phase, Wustit, FeO,
reduziert, welche anschließend
zu metallischem Eisen reduziert wurde. Jegliche Bildung einer flüssigen Phase
durch exotherme Reaktionen wurde durch die „In-Flight" Kühlungsdynamik
innerhalb der Reaktionskammer vermieden. Das reduzierte Produkt
besaß eher
das Erscheinungsbild einer Festphasenreduktion als das einer Rückverfestigung
von einer reduzierten flüssigen
Phase. Jeder Tendenz zur CO2-Erzeugung während der
Abfolge der Reduktion wurde durch Boudouard-Vergasung zwischen verbliebenem
eingeblasenen Kohlenstoff und CO2 entgegengewirkt,
um CO (wie nach Gleichung 6(g)) in de Reaktionskammer
Dieser
CO-Regenerationsprozess wurde durch die Zugabe von weiterem feinen,
freien Kohlenstoff über
den Zykloneinlass
Die
Reaktionen zur Erzeugung und zur Regeneration von CO sind endotherm
und dementsprechend wurde weitere externe Energie benötigt, um die
Temperatur innerhalb der Reaktionskammer aufrecht zu halten. Diese
Energie wurde durch zusätzliche
Mikrowellen-Leiter
Die
reduzierten Eisenpartikel kühlten
ab, wenn der spiralartige Weg durch den unteren konisch zulaufenden
Bereich, unterhalb von der Wirkung von den verschiedenen Wellenleitern,
der Reaktionskammer
Die
Abzugsgase von den verschiedenen Reaktionen wurden über den
Abgasauslass
Der Fachmann wird die Art und Weise anerkennen, in der die verschiedenen Formen der Reaktion unter Verwendung des durch Bestrahlung stimulierten Plasmas der vorliegenden Erfindung angewendet werden können.Of the Professional will recognize the way in which the various Forms of reaction using the stimulated by radiation Plasmas of the present invention can be applied.
SCHLÜSSEL ZU DEN FIGURENKEY TO THE FIGURES
-
- EN:EN:
- CONVENTIONAL PLASMACONVENTIONAL PLASMA
- DE:DE:
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